JP2014519386A - Fiber optic sensing determines real-time changes in applicator placement for interventional therapy - Google Patents
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Abstract
治療中の変化をモニタするシステムは、光ファイバセンサを中に配置された第1のプローブセグメント112を含む。前記第1のセグメントは、目標領域内に又は近くに経皮的に挿入され、1つ又は複数の治療装置に対する局所的基準を提供する。第2のプローブセグメント114は、光ファイバセンサを中に配置される。前記第2のセグメントは、一般に前記第1のプローブから離れて配置され、前記第1のセグメントに対する空間的基準点を提供する。前記第1及び第2のセグメントは、前記第1のプローブと前記第2のプローブとの間の基準として機能する少なくとも1つの共通位置を持つ。形状決定方法107は、フィードバック信号に基づいて前記第1及び第2のセグメントの各々の形状を決定し、処置中に前記形状の変化を測定し、前記変化によって治療計画を更新するように構成される。 A system for monitoring changes during treatment includes a first probe segment 112 having a fiber optic sensor disposed therein. The first segment is inserted percutaneously in or near the target area to provide a local reference for one or more treatment devices. The second probe segment 114 is disposed within the fiber optic sensor. The second segment is generally located away from the first probe and provides a spatial reference point for the first segment. The first and second segments have at least one common position that serves as a reference between the first probe and the second probe. The shape determination method 107 is configured to determine a shape of each of the first and second segments based on a feedback signal, measure a change in the shape during a procedure, and update a treatment plan with the change. The
Description
本出願は、2011年6月20日に出願され、参照によりここに組み込まれる、同一出願人による米国特許仮出願番号第61/495906号の優先権を主張する。 This application claims priority from co-assigned US Provisional Patent Application No. 61/495906, filed June 20, 2011, incorporated herein by reference.
本開示は、医療装置及び方法に関し、より具体的には、介入治療中にリアルタイムでアプリケータ配置を決定する光ファイバ感知に対するシステム及び方法に関する。 The present disclosure relates to medical devices and methods, and more particularly to systems and methods for fiber optic sensing that determine applicator placement in real time during interventional therapy.
小線源治療は、電離放射線を使用することにより悪性腫瘍の治療に対して使用されることができる。小線源治療に対する1つの重要な挑戦は、放射線量の供給が処置前計画によって正確に実行されることを保証することであることができる。この挑戦は、例えば、小線源治療線源を正確に配置し、配置誤差から生じうる前記計画からのずれ、組織腫脹のような目標体積変形、又は外科的キャビティ内の浮腫の形成のような放射線輸送特性の変化を補償する必要性を含む。既存の方法は、一般に、時間におけるアプリケータ及び/又はシード位置のスナップショットを提供することができる撮像情報に依存する。埋め込まれたビーコンは、器官移動を検出するのに使用されている。 Brachytherapy can be used for the treatment of malignant tumors by using ionizing radiation. One important challenge to brachytherapy can be to ensure that the delivery of radiation dose is accurately performed by a pre-treatment plan. This challenge can include, for example, precise placement of brachytherapy sources, deviations from the plan that can result from placement errors, target volume deformations such as tissue swelling, or formation of edema within the surgical cavity. Including the need to compensate for changes in radiation transport properties. Existing methods generally rely on imaging information that can provide a snapshot of applicators and / or seed locations in time. Implanted beacons are used to detect organ movement.
これらのアプローチは、変化の検出の空間的精度及び/又は適時性において制限されるとみなされることができる。 These approaches can be considered limited in spatial accuracy and / or timeliness of change detection.
本原理によると、治療中に変化をモニタするシステムは、中に配置された光ファイバセンサを持つ第1のプローブセグメントを含む。前記第1のセグメントは、目標領域内に又は近くに経皮的に挿入され、1つ又は複数の治療装置に対する局所的基準を提供する。第2のプローブセグメントは、中に配置された光ファイバセンサを持つ。前記第2のセグメントは、一般に、前記第1のプローブから離れて配置され、前記第1のセグメントに対する空間的基準点を提供する。前記第1及び第2のセグメントは、前記第1のプローブと前記第2のプローブとの間の基準として機能するように少なくとも1つの共通位置を持つ。形状決定方法は、フィードバック信号に基づいて前記第1及び第2のセグメントの各々の形状を決定し、処置中に前記形状の変化を測定し、前記変化によって治療計画を更新するように構成される。 According to the present principles, a system for monitoring changes during therapy includes a first probe segment having a fiber optic sensor disposed therein. The first segment is inserted percutaneously in or near the target area to provide a local reference for one or more treatment devices. The second probe segment has a fiber optic sensor disposed therein. The second segment is generally located away from the first probe and provides a spatial reference point for the first segment. The first and second segments have at least one common position to function as a reference between the first probe and the second probe. A shape determination method is configured to determine a shape of each of the first and second segments based on a feedback signal, measure a change in the shape during a procedure, and update a treatment plan with the change .
治療中に変化をモニタするワークステーションは、プロセッサ及びメモリを含むコンピュータを含む。形状決定モジュールは、前記メモリに記憶され、フィードバック信号に基づいて複数の可撓性プローブの形状を決定するように構成される。前記可撓性プローブは、中に配置された光ファイバセンサを各々持つ。前記可撓性プローブは、1つ又は複数の治療装置に対する基準位置を提供するように処置中に前記形状の変化を測定するように構成される。治療計画モジュールは、前記メモリに記憶され、前記1つ又は複数の治療装置に対する前記基準位置に基づいて治療計画を比較及び更新するように構成される。前記複数のプローブは、前記プローブ間の基準として機能するように少なくとも1つの共通位置を持つ。前記プローブは、目標領域内に又は近くに経皮的に挿入される第1のプローブと、一般に前記第1のプローブから離れて配置され、前記第1のプローブに対する空間的基準点を提供する第2のプローブとを含む。 A workstation that monitors changes during treatment includes a computer including a processor and memory. The shape determination module is configured to determine a shape of the plurality of flexible probes based on the feedback signal stored in the memory. The flexible probes each have an optical fiber sensor disposed therein. The flexible probe is configured to measure the change in shape during a procedure to provide a reference position for one or more therapeutic devices. A treatment plan module is stored in the memory and is configured to compare and update treatment plans based on the reference position for the one or more treatment devices. The plurality of probes have at least one common position to function as a reference between the probes. The probe is disposed first or percutaneously in or near a target region and generally spaced away from the first probe and provides a spatial reference point for the first probe. 2 probes.
治療中に変化をモニタする方法は、焦点エネルギ付与(focal energy deposition)に対して目標とされる組織の領域内の又は近くの位置まで経皮的に体内に少なくとも1つの可撓性プローブを挿入することにより前記焦点エネルギ付与に対する線源の位置及び経路起動を決定するステップであって、前記プローブが少なくとも1つの光ファイバセンサを持つ、当該決定するステップと、治療計画からのずれを定量化するようにリアルタイムの前記位置及び経路起動を前記治療計画と比較するステップと、前記処置の後の活動において前記ずれを考慮して治療ゴールを達成するように治療の適応を提供するステップとを含む。 A method of monitoring changes during treatment inserts at least one flexible probe into the body percutaneously to a location within or near the targeted tissue region for focal energy deposition. Determining the position and path activation of the source for the focus energy application, wherein the probe has at least one fiber optic sensor, and quantifies the deviation from the treatment plan Comparing the real-time location and path activation with the treatment plan, and providing treatment indications to achieve a treatment goal taking into account the deviation in activities after the treatment.
本開示のこれら及び他の目的、フィーチャ及び利点は、添付の図面と関連して読まれる具体的実施例の以下の詳細な説明から明らかになる。 These and other objects, features and advantages of the present disclosure will become apparent from the following detailed description of specific embodiments read in conjunction with the accompanying drawings.
本開示は、以下の図を参照して好適な実施例の以下の説明を詳細に提示する。 The present disclosure presents in detail the following description of preferred embodiments with reference to the following figures.
本原理によると、焦点エネルギ付与に対する線源の位置及び経路軌道を(リアルタイムで、治療中に)決定、推定及び/又は視覚化するシステム及び方法が提供される。焦点エネルギ付与は、例えば、小線源治療又は他の治療に対する放射線源、凍結療法プローブ、レーザアブレーション、光線力学治療、高密度焦点式超音波療法、又は他の形式の最小侵襲局所アブレーションに対するアプリケータ等を含みうる。前記システム及び方法は、前記計画からの潜在的なずれを定量化するように、リアルタイムのこれらの決定及び/又は推定を治療計画に及び処置中撮像又は他の生物物理モニタリングに関連付けるのに使用される。これは、元の治療計画からのずれにもかかわらず治療ゴールを実現するように、治療の適切な適応をトリガ及びガイドする結果となる。 In accordance with the present principles, systems and methods are provided for determining, estimating and / or visualizing (in real time, during treatment) the position and path trajectory of a source for focus energy application. Focus energization can be applied, for example, to a radiation source for brachytherapy or other treatments, cryotherapy probes, laser ablation, photodynamic therapy, high intensity focused ultrasound therapy, or other types of minimally invasive local ablation. Etc. may be included. The systems and methods are used to associate these real-time decisions and / or estimates with treatment plans and intra-treatment imaging or other biophysical monitoring to quantify potential deviations from the plan. The This results in triggering and guiding the proper adaptation of the treatment to achieve the treatment goal despite deviation from the original treatment plan.
一実施例において、関心の組織生体構造内の(正確に)既知の線源位置の収集は、線量供給の最終的な空間分布を計算するように線源‐組織間相互作用に関する既知の特性と組み合わせられることができる。例えば、この情報は、患者特有の臨床結果に関連付けられることができ、これは、例えば、このような処置の未来の最適化、訓練中の医師、臨床結果研究、及び/又はシード配置の患者特有アトラス/データベース主導自動化に対するライブラリ/データベース/アトラスを作成するのに使用されることができる。本原理は、小線源治療線源の配置の間中ずっとリアルタイムで計画された供給位置からのずれを推定することを含み、適切な補償に対して、幅広い問題及び/又は不利点を克服するのに使用されうる。更に、典型的なシステム及び方法は、凍結療法、RFアブレーション、レーザアブレーション、光線力学療法、高密度焦点式超音波等のような焦点エネルギ付与を使用する他の最小又は非侵襲性治療モダリティに適用可能であることもできる。 In one embodiment, the collection of (exactly) known source locations within the tissue anatomy of interest is based on the known characteristics of source-tissue interactions and so on to calculate the final spatial distribution of dose delivery. Can be combined. For example, this information can be associated with patient-specific clinical results, which can be, for example, future optimization of such procedures, trained physicians, clinical outcome studies, and / or seed placement patient-specific. Can be used to create libraries / databases / atlases for atlas / database driven automation. The principles include estimating deviations from the planned delivery position in real time throughout the placement of the brachytherapy source and overcome a wide range of problems and / or disadvantages for proper compensation Can be used. Furthermore, exemplary systems and methods apply to other minimal or non-invasive treatment modalities that use focus energy application such as cryotherapy, RF ablation, laser ablation, photodynamic therapy, high intensity focused ultrasound, etc. It can also be possible.
本原理は、一般的に、介入処置に対して説明される。前記介入処置は、多くの形を取りうる。少数の非限定的な例は、説明目的に対してここで説明される。一実施例において、小線源治療は、電離放射線を用いる悪性腫瘍の治療に対して使用されることができる。小線源治療の2つの主要な形式が存在すると一般に考えられる。これらは、永久シード埋め込み及び高線量率小線源治療を含む。低線量率小線源治療とも称されることができる永久シード埋め込みは、125I又は103Pdのような放射性同位体を含む米粒サイズの金属シードを使用する。前記同位体は、針又はカテーテルを通って治療体積内に永久的に挿入される。通常、針又はカテーテルは、異なる軌道に沿って連続して挿入され、前記シードは、前記針又はカテーテルが後退される間に前記針又はカテーテルの挿入トラックに沿った位置において目標組織内に供給される。放射線量は、数週間から数か月の期間にわたり供給されることができる。高線量率小線源治療は、例えば2日のコースにわたる数セッションの内部放射線治療を供給するように、放射性同位体又は小型X線源が挿入され、規定時間に規定位置まで移動されることができる("アフタローディング")複数のカテーテルの配置を含む。治療コースの後に、前記カテーテルは、取り外されることができる。前記カテーテルは、バルーンアプリケータの表面に沿った平行バンドル又は子午線のような線を形成することができる。 This principle is generally described for interventional procedures. The interventional procedure can take many forms. A few non-limiting examples are described here for illustrative purposes. In one example, brachytherapy can be used for the treatment of malignant tumors using ionizing radiation. It is generally considered that there are two main forms of brachytherapy. These include permanent seed implantation and high dose rate brachytherapy. Permanent seed implantation, which can also be referred to as low-dose rate brachytherapy, uses rice grain-sized metal seeds containing radioactive isotopes such as 125 I or 103 Pd. The isotope is permanently inserted into the treatment volume through a needle or catheter. Typically, the needle or catheter is inserted sequentially along different trajectories, and the seed is fed into the target tissue at a location along the needle or catheter insertion track while the needle or catheter is retracted. The The radiation dose can be delivered over a period of weeks to months. High dose rate brachytherapy can be inserted to a specified location at a specified time with a radioisotope or miniature X-ray source inserted, for example, to deliver several sessions of internal radiation therapy over a two day course. Possible ("afterloading") including multiple catheter arrangements. After the course of treatment, the catheter can be removed. The catheter can form a line such as a parallel bundle or meridian along the surface of the balloon applicator.
両方の形式の小線源治療に対して、腫瘍に対する正確な放射線量の供給が必要とされ、隣接した組織により受けられた放射線量は、最小化されるべきである。処置前画像を用いる計画は、しばしば、患者の生体構造に対する線量分布を調整するのに使用される。コンピュータ断層撮影(CT)、磁気共鳴(MR)又は超音波(US)画像は、多くの腫瘍のタイプに対して比較的高いコントラストを提供するのに使用されることができる。 For both types of brachytherapy, an accurate dose of radiation to the tumor is required and the dose received by adjacent tissue should be minimized. Plans using pre-treatment images are often used to adjust the dose distribution for the patient's anatomy. Computed tomography (CT), magnetic resonance (MR) or ultrasound (US) images can be used to provide a relatively high contrast for many tumor types.
小線源治療に対して、配置誤差、カテーテル移動、組織腫脹のような目標体積変形、又は外科的キャビティ内の浮腫の形成のような放射線輸送特性の変化に対する補償は、考慮に入れられる必要がある。例えば、線源位置、目標組織配置、又は目標体積コンテンツの大きなずれが生じる場合、処置前画像を用いて実行された計画は、おそらく、もはや関連性がなく、結果として、腫瘍は、不十分に治療される可能性があり、隣接した組織は、放射線損傷に対するリスクに置かれる可能性がある。 For brachytherapy, compensation for changes in radiation transport properties such as placement errors, catheter movement, target volume deformations such as tissue swelling, or edema formation within the surgical cavity needs to be taken into account. is there. For example, if a large shift in source position, target tissue placement, or target volume content occurs, the plan performed using the pre-treatment image is probably no longer relevant, and as a result, the tumor is insufficient It may be treated and adjacent tissue may be at risk for radiation damage.
好適な実施例によると、光学的形状感知は、患者治療に対するコンポーネントを追跡するのを援助するのに使用される。特に有用な実施例において、可撓性の細長い構造の三次元(3D)形状が、リアルタイムで追跡されることができる。例えば、ファイバブラッググレーティング(FBG)及びレイリー散乱を用いて実施される光学的形状感知の基礎をなす基本原理は、処置中にツールに対する詳細な空間的情報を提供するのに信頼される。光学的形状感知に対して、患者の特定の場所の3D位置は、追跡されることができる。この感知方法は、例えば、患者の体の周りにきつくフィットされることができる変形可能メッシュの3D形状の追跡を可能にすることもできる。 According to a preferred embodiment, optical shape sensing is used to assist in tracking components for patient treatment. In a particularly useful embodiment, a three-dimensional (3D) shape of a flexible elongated structure can be tracked in real time. For example, the basic principles underlying optical shape sensing implemented using Fiber Bragg Grating (FBG) and Rayleigh scattering are trusted to provide detailed spatial information for the tool during the procedure. For optical shape sensing, the 3D position of a patient's specific location can be tracked. This sensing method may also allow, for example, tracking the 3D shape of a deformable mesh that can be tightly fitted around the patient's body.
電磁(EM)追跡のような他の追跡方法に対して、光学的形状感知は、外部磁場及び金属対象の存在(例えば、臨床業務において一般的な発生)によって生じることができるEM場の歪に対する耐性の利点を持つことができる。 For other tracking methods, such as electromagnetic (EM) tracking, optical shape sensing is for EM field distortion that can be caused by the presence of external magnetic fields and metal objects (eg, a common occurrence in clinical practice). Can have the advantage of tolerance.
本発明は、医療器具に関して説明されるが、しかしながら、本発明の教示は、大幅に広く、複雑な生物系又は機械系を追跡又は分析する際に使用される器具に対して適用可能であると理解されたい。特に、本原理は、生物系の内部追跡処置、肺、胃腸管、排出器、血管等のような体の全ての領域における処置に対して適用可能である。図に描かれた要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実施されることができ、単一の要素又は複数の要素において組み合わせられることができる機能を提供することができる。 While the present invention will be described with respect to medical devices, however, the teachings of the present invention are much broader and are applicable to devices used in tracking or analyzing complex biological or mechanical systems. I want you to understand. In particular, the present principles are applicable to treatments in all areas of the body such as internal follow-up procedures of biological systems, lungs, gastrointestinal tracts, evacuators, blood vessels and the like. The elements depicted in the figures can be implemented in various combinations of hardware and software, and can provide functionality that can be combined in a single element or multiple elements.
図に示された様々な要素の機能は、描かれたハードウェア及び適切なソフトウェアと関連してソフトウェアを実行することができるハードウェアの使用により提供されることができる。プロセッサにより提供される場合、前記機能は、単一の専用プロセッサにより、単一の共有プロセッサにより、又は一部が共有されることができる複数の個別のプロセッサにより提供されることができる。更に、単語"プロセッサ"又は"コントローラ"の明示的使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアを排他的に示すと解釈されるべきではなく、限定なしで、デジタル信号プロセッサ("DSP")ハードウェア、ソフトウェアを記憶する読取専用メモリ("ROM")、ランダムアクセスメモリ("RAM")、不揮発性記憶媒体等を暗示的に含むことができる。 The functions of the various elements shown in the figures can be provided by the use of hardware capable of executing software in conjunction with the depicted hardware and appropriate software. When provided by a processor, the functionality can be provided by a single dedicated processor, by a single shared processor, or by multiple individual processors that can be partially shared. Furthermore, the explicit use of the word “processor” or “controller” should not be construed to indicate exclusively hardware capable of executing software, and without limitation, a digital signal processor (“DSP”). Hardware, read only memory ("ROM") for storing software, random access memory ("RAM"), non-volatile storage media, etc. can be implicitly included.
更に、本発明の原理、態様及び実施例並びに特定の例をここに記載する全ての提示は、構造的及び機能的同等物の両方を含むことを意図される。加えて、このような同等物が現在既知の同等物及び未来に開発される同等物(すなわち、構造に関係なく、同じ機能を実行する開発された要素)の両方を含むことが意図される。このように、例えば、ここに示されたブロック図が、本発明の原理を実施する説明用のシステムコンポーネント及び/又は回路の概念図を表すことは、当業者に理解される。同様に、フローチャート及びフロー図等が、コンピュータ可読記憶媒体において実質的に表され、コンピュータ又はプロセッサにより実行されることができる様々なプロセスを表し、いずれにせよ、このようなコンピュータ又はプロセッサは、明示的に示されていない。 Moreover, all presentations described herein of principles, aspects and embodiments of the invention and specific examples are intended to include both structural and functional equivalents. In addition, it is intended that such equivalents include both presently known equivalents and equivalents developed in the future (ie, developed elements that perform the same function regardless of structure). Thus, for example, those skilled in the art will appreciate that the block diagrams shown herein represent conceptual diagrams of illustrative system components and / or circuits that implement the principles of the invention. Similarly, flowcharts and / or flow diagrams represent various processes that may be substantially represented in a computer-readable storage medium and that may be executed by a computer or processor, in which case such computers or processors are Not shown.
更に、本発明の実施例は、コンピュータ又は命令実行システムにより使用される又は関連したプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムの形式をとることができる。この説明の目的に対して、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体は、前記命令実行システム、装置又はデバイスにより使用される又は関連したプログラムを含む、記憶する、通信する、伝搬する又は輸送することができる装置であることができる。前記媒体は、電子、磁気、光学、電磁、赤外又は半導体システム(又は装置又はデバイス)、又は伝搬媒体であることができる。コンピュータ可読媒体の例は、半導体又は固体メモリ、磁気テープ、着脱可能コンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読取専用メモリ(ROM)、固い磁気ディスク及び光ディスクを含む。光ディスクの現在の例は、コンパクトディスク‐読取専用メモリ(CD−ROM)、コンパクトディスク‐読取/書込(CD−R/W)、DVD及びブルーレイ(登録商標)を含む。 Further, embodiments of the invention may take the form of a computer program accessible by a computer-usable or computer-readable storage medium that provides program code for use by or associated with a computer or instruction execution system. For purposes of this description, a computer-usable or computer-readable storage medium may store, communicate, propagate, or transport a program used or associated with the instruction execution system, apparatus, or device. It can be a device that can. The medium can be an electronic, magnetic, optical, electromagnetic, infrared, or semiconductor system (or apparatus or device), or a propagation medium. Examples of computer readable media include semiconductor or solid state memory, magnetic tape, removable computer diskettes, random access memory (RAM), read only memory (ROM), hard magnetic disks and optical disks. Current examples of optical disks include compact disk-read only memory (CD-ROM), compact disk-read / write (CD-R / W), DVD and Blu-ray.
ここで同様の数字が同じ又は同様の要素を表す図面、最初に図1を参照すると、最小又は非侵襲性局所組織アブレーションに対する焦点エネルギ付与に対するシステム100は、1つの具体的実施例によって示される。システム100は、処置最適化、報告及び医師訓練に対して、形状感知情報、ソース‐組織間相互作用モデリング、線量モニタリング、及び患者特有の臨床結果データベースをリンクする治療計画及びモニタリングワークステーションの一部でありうる。システム100は、画像データベース又はメモリ記憶部104を含みうる。データベース104は、処置が実行されるべきである患者122の画像、好ましくは三次元(3D)画像を記憶する。システム100は、メモリ109に記憶された形状感知決定アルゴリズム又は方法107を実行することができるプロセッサ105を持つコンピュータ106を含む。
Referring now to the drawings in which like numerals represent the same or similar elements, first referring to FIG. 1, a
光コンソール108は、コンピュータ106により制御され、データを提供する。光コンソール108は、光ファイバプローブ112及び114に光を供給し、プローブ112及び114から光を受け取る。プローブ112及び114は、可撓性であり、各々が、光ファイバ形状センサを含む。プローブの数が2より大きくてもよく、又は単一のプローブが使用されうることに注意されたい。第1のプローブ112及び第2のプローブ114は、別々のテザー上の2つのセグメントを含んでもよく、又は同じテザー上の異なるサブセクション又はセグメントを含んでもよい。各プローブ112、114が複数の光ファイバ、例えば2、3、4又はそれ以上のファイバを含んでもよいことも理解されたい。光ファイバ形状感知は、多くの形式をとることができ、マルチコア幾何構成、干渉計、偏波ダイバーシティ、レーザ特性等のような異なる技術を使用してもよい。形状感知は、例えば、参照によりここに組み込まれるFroggatt他に対する公開特許出願US2011/0109898に実例として記載されている。
The
図1を参照し続け、図2を参照すると、光ファイバプローブ112、114の軸方向断面が、光センサ202とともに示される。センサ202は、円形断面を持つ細長いボディ内に拘束されたシングルモードコア206を持つ4つのファイバを含む。光コンソール108からの光は、同時に又は連続的にのいずれかで、各ファイバに向けられることができる。各ファイバ202において、光は、どのように光ファイバ202が構成されるかに依存して、FBG又はレイリー散乱のいずれかで、異なる距離において反射される。好ましくは、光ファイバ202は、前記センサの長さに沿って実質的にらせん状に配置される。これは、1つの典型的な設計である。本原理による他の典型的な設計又は技術が、使用されてもよい。
With continued reference to FIG. 1, and with reference to FIG. The
図1を再び参照すると、コンピュータ106は、光コンソール108から得られた測定値に基づいて可撓性プローブ112及び114の形状及び位置を決定する形状決定アルゴリズム又は方法107を記憶するメモリ109を含むことができる。1つの典型的な実施例において、プローブの少なくとも1つ112は、焦点エネルギ付与により目標とされる組織の領域118における又は非常に近い場所まで、経皮的に患者122の体内に挿入されることができる。フィードバックループは、(治療システム136及び/又は計画モジュール116により)目標とされる組織の領域118及び治療の強度が、例えば移動、腫脹、浮腫等により、形状決定アルゴリズム107の出力又は更新に基づいて変更されることができるように、形状決定アルゴリズム107と治療システム136又は計画モジュール116との間に設けられることができる。
Referring back to FIG. 1, the
好ましくは、治療体積(118)の近くの患者生体構造の位置特定/向きを特徴づけることができる参照に対する単一のプローブ又は複数のこのようなプローブに沿った1つ又は複数の基準点が存在する。第1の可撓性プローブ112の場所は、したがって、(例えばプローブ114による)前記基準点の場所に対して追跡されることができる。第2の可撓性プローブ114が基準として使用される場合、第2の可撓性プローブ114は、形状決定アルゴリズム107の出力の誤差が可能な限り両方のプローブに対して同様であることを保証するように、近位端において第1の可撓性プローブ112に機械的に取り付けられる又は結合されることができる。前記2つのプローブの間の機械的取付は、取り付け点及び当該点における関連した追跡誤差が第2のプローブ114を追跡する場合に特徴づけられ、考慮されるのであれば、プローブ112に沿ったセグメント中間位置における第1のプローブ112に対する第2のプローブ114の結合を用いて実現されることもできる。プローブ112及び114の結合は、プローブ112及び114の近位端を一緒に結合するのにシース110又は他の装置を使用して提供されることができる。前記セグメント(プローブ)が、同じテザー(インライン)上である場合、共通の基準点は、前記2つのセグメント間の共有接続点である。
Preferably, there is a single probe or a plurality of one or more reference points along such a probe that can characterize the localization / orientation of the patient anatomy near the treatment volume (118) To do. The location of the first
光学的形状感知以外の方法で追跡することができるプローブ112、114の長さに沿った1つ又は複数の基準位置におけるプローブ112、114上の追加のマーカ(例えばEMマーカ117を持つ複数のシース110又は接続点)が存在することができる。これらのマーカ117からの情報は、形状決定アルゴリズム107の精度を向上させるようにリアルタイムで形状決定アルゴリズム107に組み込まれることができる。これらの典型的なマーカ117は、プローブ先端自体の空間的位置に関する情報を提供しえないが、それでも形状決定アルゴリズム107に対して有用である境界条件を提示することができるプローブ112、114のより近位の部分の空間的位置に関する情報を提供することができる。
Additional markers (eg, multiple sheaths with EM markers 117) on the
一実施例において、患者122は、動きコントローラ102を用いて平行移動されることができる台124上に配置されることができる。腫瘍領域118は、意図される放射線治療目標である。システム100は、放射線を供給する装置113を含むことができ、装置113は、針、カテーテル又は腫瘍118内にシードを埋め込む又は放射線を集束させるための他の装置113を含むことができる。装置113は、治療装置(例えば、放射線シード)の位置及び配置軌道がプローブ112からの光ファイバ感知フィードバックを使用して知らされるように、プローブ112に接続される。他の放射線供給又は治療システム136も、使用されることができる。(光ファイバセンサを含む)1つの可撓性プローブ112は、光コンソール108から延在し、治療アプリケーションカテーテル(N)113に接合し、腫瘍領域118までカテーテル113をたどる。
In one example, the
他の光ファイバセンサを含む第2の可撓性プローブ114は、光コンソール108から患者122の表面上の固定領域又は表面点(SP)まで延在される。この例において、光コンソール108の近くで、プローブ112及び114の2つの光ファイバセンサは、機能を落とすことなしに可能な限り大きな曲げ半径で、最小のねじれを可能にするように設計されたシース110内に含まれる。シース110内で、前記2つの光ファイバセンサは、互いに対して固定角度に保たれるか、又は互いに対して自由に移動する場合に、前記ファイバの位置及び向きは、追跡されるか又は互いに対して及び実験室又は環境座標系における共通の基準に対して他の形で決定されるかのいずれかである。光コンソール108は、時間的に規定された(又はタイムスタンプされた)高速インタリーブ形式で順次的に又は(インテロゲーションプラットフォームの構成に依存して)両方のファイバセンサからの同時読み出しを用いて並列にのいずれかで前記2つのファイバセンサの各々からの測定値をインテロゲート又はポーリングする。この概念は、並列での複数の治療サイトへのガイドを可能にするように2より多いファイバに更に拡張されることができる。
A second
光コンソール108からのデータは、形状決定アルゴリズム107で前記データを処理するコンピュータ106により受け取られることができる。このようにして、コンピュータ106は、プローブ112及び114内の前記光ファイバの3D形状の推定を得る。形状決定アルゴリズム107は、境界条件として、前記2つの光ファイバセンサがシース110内で互いに対して既知の位置/向きを持つ又は機械的に拘束されるという事実を含みうる。2つのファイバセンサ基準位置の相対位置/向きは、基準マーカの実際の測定値及びセカンダリ位置/向き測定装置(例えば117)を用いる外部追跡から交互に得られることができる。
Data from the
これらの決定及び/又は推定を得た後に、コンピュータ106は、これらを以前の時点の決定、治療計画及び/又は推定と比較し、第2の可撓性プローブ114により参照される患者122の体に対してアプリケータ移動が生じたかどうかを決定することができる。
After obtaining these decisions and / or estimates, the
一実施例において、治療計画モジュール/システム116は、メモリ109に記憶される又はメモリ109に記憶された部分を持つことができる。治療計画モジュール/システム116は、前記1つ又は複数の治療装置(例えば、シード、カテーテル等)の計画された配置を、プローブ112から決定された経路軌道に基づく前記1つ又は複数の治療装置の実際の配置と比較するように構成されることができる。治療計画モジュール116は、全体的な計画目標を達成することに基づいて前記1つ又は複数の治療装置の配置に対して後の位置を出力するように構成される。治療計画モジュール116は、前記治療計画の目標が満たされることを保証するのに現在のフィードバックの評価が使用されることができるように、前歴に基づく代替ロードマップ及び/又は臨床決定木を持つ重み付けシステムを含むことができる。
In one embodiment, the treatment planning module /
前記実際の測定と前記治療計画との間に相対的移動が存在しない場合、患者122に固定された前記センサの部分(プローブ112及び114)の3D形状は、同調して(すなわち一緒に)移動することが期待されることができる。さもなければ、これらは、変化を示す非同期移動を持つ。検出された相対運動のインパクトは、この場合、処置前画像データベース104を用いて得られた前記患者の生体構造の情報及び介入経路特性を臨床結果とリンクするデータベース又はライブラリ内の同様の以前の調査から得られた情報を用いて決定される。前記相対移動が、規定されたアラーム制限を超過する場合、警告が与えられ、治療は、変更されたアプリケータ配置による前記治療計画の適応まで停止される。前記警告は、可聴的に、ディスプレイ119上で視覚的に又は前記プローブ自体の中の触覚フィードバックを含む他の適切な方法により生成されうる。
If there is no relative movement between the actual measurement and the treatment plan, the 3D shape of the part of the sensor (
プログラミング、装置制御、機能のモニタリング及び/又はコンピュータ106若しくはワークステーション101との他のインタラクションは、インタフェース128を使用して実行されうる。ディスプレイ119は、ユーザがワークステーション101並びにそのコンポーネント及び機能、又はシステム100内の他の要素とインタラクトすることを可能にすることもできる。これは、ワークステーション101若しくはシステム100とのインタラクション及びユーザフィードバックを可能にするように、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚デバイス、又は他の周辺機器又は制御装置を含むインタフェース128により更に容易化される。
Programming, device control, functional monitoring, and / or other interactions with the
他の典型的な実施例において、前記光ファイバセンサを持つ可撓性プローブ112は、血管内アクセスを用いて前記腫瘍領域に到達するように挿入されることができる。例えば、プローブ112は、腫瘍領域118に近くなるまで前記患者の脈管構造を通って進められることができる。プローブ112は、この場合、腫瘍領域118に向けて血管壁を通って挿入される。この典型的な処置は、おそらく、例えば、放射線不透明造影剤と組み合わせて撮像システム130を使用して蛍光透視ガイドで実行されることができる。他の撮像技術も、使用されることができる。1より多い可撓性プローブ(112)が、腫瘍領域118に挿入されることができる。1より多い可撓性プローブ(114)が、患者122又は前記処置中に使用される他の機器の位置をモニタするように腫瘍領域118の外側の追加点に配置されることもできる。
In another exemplary embodiment, a
1つの具体的実施例において、可撓性プローブ134(例えば、治療アプリケータ又は他の装置)は、光コンソール108とは独立に追跡及び/又は撮像されることができる。例えば、これらの追跡/撮像方法からのデータは、例えば、3D形状推定の精度を向上させる及び/又は関心体積(118)内の生理学的構造(目標及び通常組織の両方)の輪郭を描くようにプローブ112、114の空間的位置上に追加の幾何学的制約を課すように形状決定アルゴリズム/処置107により使用されることができる。このようにして、独立した基準点が、EM、撮像(撮像システム130)等のような追跡技術を使用して作成され、前記処置において使用される他のプローブ112、114の位置/向きに関する確認を可能にする。撮像装置130及び治療システム136は、ワークステーション101に接続されうる。このようにして、撮像システム130及び治療システム136は、システム100の残りにより制御される及び/又はフィードバックを提供することができる。
In one specific example, the flexible probe 134 (eg, a treatment applicator or other device) can be tracked and / or imaged independently of the
他の実施例において、光ファイバ形状センサを備えた、より多数の可撓性プローブが、可撓性な表面及び/又は体積をモニタするのに使用されうる。これらの表面又は体積は、腫瘍のような関心目標であってもなくてもよいが、代わりに、患者移動、内部器官の移動、台124又は他のプラットフォームの移動、器具の移動等を含んでもよい。領域は、腫瘍領域118の内側及び/又は外側で生じることができるアプリケータ及び/又は組織幾何構成の2D又は3D変化の推定値を得るのに使用されることができる1つ又は複数の光ファイバ形状センサを含みうる。このような実施例は、より複雑であることができ、おそらく、2より多い光ファイバ形状センサ(プローブ112又は114)を使用することができる。これは、おそらく、例えば、目標及び/又は通常組織に対する前記治療アプリケータの移動に関するより多くの情報を提供することができる。システム100は、ファイバ光センサを持つ複数の可撓性プローブを容易に収容するようにモジュール式にされることができる。
In other embodiments, a greater number of flexible probes with fiber optic shape sensors can be used to monitor flexible surfaces and / or volumes. These surfaces or volumes may or may not be the target of interest, such as a tumor, but may instead include patient movement, movement of internal organs, movement of a
図3を参照すると、図は、本原理による説明的な概念的実施例を示す。移動が可能な質量302は、可撓性材料目標304を含む。質量302及び目標304の両方が、三次元において振動する又は位置を変えることができる。質量302及び目標304は、互いに対して限定された量を移動することができるが、一緒に移動することもできる。質量302及び目標304の両方の動的性質を考慮するために両者の相対的移動及び大域的移動を理解することが必要である。本原理によると、光ファイバセンサ306、308は、質量302及び目標304の位置/向きの変化を局所的にモニタするのに使用される。光ファイバセンサ308は、高い解像度で局所座標系312に対して局所的歪みを検出することができる。したがって、光ファイバセンサ308は、局所的歪みを検出するように目標304に又は近くに配置される。
Referring to FIG. 3, the figure shows an illustrative conceptual embodiment in accordance with the present principles. The
同様に、質量302の局所的歪み(例えば、位置/移動)は、局所座標系310に対してモニタされる必要がある。この場合、光ファイバセンサ306は、局所的変化をモニタするように質量302上に配置されうる。加えて、目標304、質量302及び装置309(例えば、放射線源、シード等)の位置は、より大域的な座標系314によって理解される必要がある。装置309は、追跡ツールにより配置され、したがって、これらの位置は、正確に知られる。座標系310及び312を関連付ける追加の情報は、様々な拘束及び境界条件により提供されることができる。例えば、光ファイバセンサ306及び308は、共通の位置を共有することができる、又は1つのファイバ上の基準点が他のファイバ上の基準点に対して既知であるように他の形で追跡される。上記の通り、これは、(例えば、シース等の中で)センサ306及び308の両方に対して前記光ファイバの一部を束ねることにより達成されることができる。このようにして、共通の基準又は制約が、既知であり、光ファイバセンサ306及び308に沿った他の全ての点に対する解は、共通座標系314に対して決定及びモニタされることができる。
Similarly, local distortion (eg, position / movement) of
放射線治療に対して上に記載された場合に、目標304のモニタリングは、目標領域の腫脹、患者活動、機器の移動、装置309の配置の誤差等による変化を含みうる。センサ306からの他の基準点を持つことは、前記患者上の他の位置に対する局所的な移動のみならず、他のセンサ308に対する質量302(例えば、台又はプラットフォーム上の患者等)の向きの情報をも提供する。この例において、これは、放射線の照準/焦点合わせ、放射線シードの配置等に対するガイドを提供することができる。
As described above for radiation therapy, monitoring of
図4を参照すると、治療中の変化をモニタする方法が、事例的に示される。ブロック402において、焦点エネルギ付与に対する線源の位置及び経路軌道が、前記焦点エネルギ付与に対して目標とされる組織の領域内の又は近くの場所まで体内に少なくとも1つの可撓性プローブを経皮的に挿入することにより決定される。前記プローブは、少なくとも1つの光ファイバセンサを含む。一実施例において、前記プローブは、前記線源の位置及び経路軌道が容易に識別されるように前記線源を配置する前記装置(例えば針)とともに含まれることができる。
Referring to FIG. 4, a method for monitoring changes during treatment is illustratively shown. At
ブロック404において、フィードバック信号が、前記少なくとも1つの可撓性プローブから収集され、前記少なくとも1つの可撓性プローブの変化を検出するように前記形状決定モジュールに入力され、これにより、治療計画によって、治療に対して目標とされる組織の領域及び治療の強度が、形状決定モジュールの出力に基づいて変更されることができる。
At
ブロック406において、前記位置及び経路軌道は、治療計画とリアルタイムで比較され、前記計画からのずれを定量化する。ブロック408において、第2のプローブが、前記第1のプローブに対する基準位置を提供するように導入されることができる。前記第2のプローブも、好ましくは、少なくとも1つの光ファイバセンサを含む。前記少なくとも1つの可撓性プローブ及び前記第2のプローブは、ブロック410において座標系を関連付ける制約又は条件を提供するように少なくとも1つの共通位置を共有することができるか、又は各プローブは、互いに対して既知である基準位置を持つことができる。
At
ブロック412において、治療の適応は、前記収集されたフィードバック及び計画比較に基づいて治療ゴールを達成するように提供される。前記ずれは、前記処置内の後の活動において考慮される。ブロック414において、全体的な計画目標を達成することに基づく前記1つ又は複数の治療装置の配置に対する後の位置が、出力されることができる。他の変化、提案又は動作は、治療計画ゴールが達成されることを保証するために要求されうる。ブロック416において、少なくとも1つの可撓性プローブの経路を独立に追跡するように構成された追加の追跡装置は、前記少なくとも1つの可撓性プローブの位置測定を確認する及び/又は向上させる又はセンサプローブに対する位置情報を決定する解制約又は条件を他の形で提供するために使用されうる。ブロック418において、前記処置は、完了されるまで、例えば、前記計画目標が達成されるまで、続行される。
At
添付の請求項を解釈する際に、以下のことを理解されたい。
a)単語"有する"は、所定の請求項に列挙された要素又は動作以外の要素又は動作の存在を除外しない。
b)要素に先行する単語"1つの"は、複数のこのような要素の存在を除外しない。
c)請求項内の参照符号は、その範囲を限定しない。
d)複数の"手段"は、同じアイテム又はハードウェア又はソフトウェア実施構造又は機能により表されてもよい。
e)動作の特定の順序は、特に示されない限り、必要とされることを意図されない。
In interpreting the appended claims, it should be understood that:
a) The word “comprising” does not exclude the presence of elements or acts other than those listed in a given claim.
b) The word “one” preceding an element does not exclude the presence of a plurality of such elements.
c) Reference signs in the claims do not limit their scope.
d) Multiple “means” may be represented by the same item or hardware or software implementation structure or function.
e) The specific order of operations is not intended to be required unless otherwise indicated.
(説明的であり、限定的ではないことを意図される)介入治療に対するアプリケータ配置のリアルタイム変化を決定する光ファイバ感知に対するシステム及び方法に対する好適な実施例を記載して、修正例及び変形例が、上記の教示を考慮して当業者によりなされることができることに注意されたい。したがって、添付の請求項により概説されるここに開示された実施例の範囲内である変形が、開示された開示の特定の実施例においてなされることができると理解されたい。詳細をこのように記載し、特許法により要求されて、請求され特許証により保護されることを望まれるものは、添付の請求項に記載される。 Modifications and variations are described, describing preferred embodiments for systems and methods for fiber optic sensing to determine real-time changes in applicator placement for interventional treatments (which are intended to be illustrative and not limiting) Note that can be made by those skilled in the art in view of the above teachings. Accordingly, it is to be understood that variations that are within the scope of the disclosed embodiments outlined by the appended claims can be made in the specific embodiments of the disclosed disclosure. What is described in detail herein, and what is required by patent law, is claimed and desired to be protected by Letters Patent, is set forth in the appended claims.
Claims (23)
光ファイバセンサを中に配置され、目標領域内に又は近くに経皮的に挿入され、1つ又は複数の治療装置に対する局所的基準を提供する第1のプローブセグメントと、
光ファイバセンサを中に配置され、一般に前記第1のプローブから離れて配置され、前記第1のセグメントに対する空間的基準点を提供する第2のプローブセグメントであって、前記第1及び第2のセグメントが、前記第1のプローブと前記第2のプローブとの間の基準として機能するように少なくとも1つの共通位置を持つ、前記第2のプローブセグメントと、
フィードバック信号に基づいて前記第1及び第2のセグメントの各々の形状を決定し、処置中に前記形状の変化を測定し、前記変化によって治療計画を更新する形状決定モジュールと、
を有するシステム。 In a system that monitors changes during treatment,
A first probe segment disposed within the fiber optic sensor and percutaneously inserted in or near the target region to provide a local reference for one or more treatment devices;
A second probe segment disposed in a fiber optic sensor, generally disposed away from the first probe, and providing a spatial reference point for the first segment, the first and second The second probe segment having at least one common position such that the segment serves as a reference between the first probe and the second probe;
A shape determining module that determines a shape of each of the first and second segments based on a feedback signal, measures a change in the shape during a procedure, and updates a treatment plan with the change;
Having a system.
プロセッサ及びメモリを含むコンピュータと、
前記メモリに記憶され、フィードバック信号に基づいて複数の可撓性プローブの形状を決定する形状決定モジュールであって、前記可撓性プローブが、各々、中に配置された光ファイバセンサを持ち、前記可撓性プローブが、1つ又は複数の治療装置の配置に対する基準位置を提供するように処置中の前記形状の変化を測定する、前記形状決定モジュールと、
前記メモリに記憶され、前記1つ又は複数の治療装置に対する前記基準位置に基づいて治療計画を比較及び更新する治療計画モジュールと、
を有し、
前記複数のプローブが、前記プローブ間の基準として機能する少なくとも1つの共通位置を持ち、
目標領域内に又は近くに経皮的に挿入される第1のプローブ、及び
一般に前記第1のプローブから離れて配置され、前記第1のプローブに対する空間的基準点を提供する第2のプローブ、
を含む、
ワークステーション。 In a workstation that monitors changes during treatment, the workstation includes:
A computer including a processor and memory;
A shape determination module stored in the memory and determining a shape of a plurality of flexible probes based on a feedback signal, each of the flexible probes having a fiber optic sensor disposed therein, The shape determination module, wherein a flexible probe measures a change in the shape during a procedure to provide a reference position for placement of one or more treatment devices;
A treatment plan module, stored in the memory, for comparing and updating treatment plans based on the reference position for the one or more treatment devices;
Have
The plurality of probes have at least one common position that serves as a reference between the probes;
A first probe that is inserted percutaneously in or near a target region, and a second probe that is generally disposed away from the first probe and that provides a spatial reference point for the first probe;
including,
Work station.
少なくとも1つの光ファイバセンサを含む少なくとも1つの可撓性プローブを、焦点エネルギ付与に対して目標とされる組織の領域内の又は近い場所まで体内に経皮的に導入することにより前記焦点エネルギ付与に対する線源の位置及び経路軌道を決定するステップと、
治療計画とリアルタイムの前記位置及び経路軌道を比較するステップであって、前記計画からのずれを定量化する、前記比較するステップと、
前記処置内の後の活動において前記ずれを考慮して治療ゴールを達成するように治療の適合を提供するステップと、
を有する方法。 In a method of monitoring changes during treatment,
The focus energy application by percutaneously introducing at least one flexible probe comprising at least one fiber optic sensor into the body to a location within or close to the region of tissue targeted for focus energy application. Determining the position and path trajectory of the source with respect to
Comparing the treatment plan with the position and path trajectory in real time, quantifying the deviation from the plan, and the comparing step;
Providing a therapeutic fit to achieve a therapeutic goal in view of the deviation in subsequent activities within the procedure;
Having a method.
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